Еще один взгляд на природу шаровой молнии.

За последние годы усилиями ученых многих стран мира, в том числе советских, сделан значительный шаг вперед в решении проблем получения, нагрева и управления высокотемпературной плазмой. Достигнутые температура, хорошее приближение к критерию Лоусона, выражаемое произведением плотности плазмы на время ее удержания (например, для смеси дейтерий-тритий nτ = 2 x 10²⁰ c x м^-3 (1) позволяет многим видным ученым надеяться, что на пути реализации термоядерного синтеза остались, в основном, инженерно-технические трудности.

Однако «горячая» плазма при попытках увеличения времени ее удержания подвергается различным возмущениям, в частности, коллективным неустойчи­востям, порожденным собственными электрическими и магнитными полями движущегося пучка заряженных частиц (это явление даже породило специальный термин – неустойчивость плазмы). И мысль использовать их коллективное поведение, зародившаяся более 30 лет назад, преставляется до сих пор актуальной и плодотворной, так как при этом, возможно, отпадет необходимость в сложном и дорогостоящем оборудовании, предназначенном для создания высокотемпературной плазмы (ВП) и удержания ее внешними сильными электрическими и магнитными полями и т. д.

Методологически закономерен вопрос: какими должны быть пространственное распределение и коллективное поведение заряженных части для того, чтобы они обусловливали самосогласованную и саморегулирующуюся конфигурацию длительно существующей квазинейтральной плазмы (КНП)?

"Сам же факт существования такой конфигурации не вызывает сомнений. Природа «играючи» реализует эту конфигурацию во время грозового разряда в виде феномена «шаровой молнии» (ШМ), которая несомненно, во всяком случае в атмосфере, представляет собой внешне плазму. Причем все происходит в «неконтролируемых» и не обеспеченных аппаратурно условиях ! Значительное время жизни (до 3 -5 мин) данного феномена может быть логически объяснено (не затрагивая пока вопросы структуры ШМ) следующим образом: либо плазма образует практически адиабатическую (без энергообмена с окружающей средой) оболочку за счет движения заряженных частиц в вихревом замкнутом на себя электромагнитном поле, либо оболочка частично проницаема для частиц и излучения как внутрь, так и наружу, т.к. ШМ излучает свет. Но в последнем случае неизбежно возникает вопрос о компенсации энергии излучения плазмы извне, т.е. за счет окружающей среды.

Линейная молния существует лишь тысячные доли секунды, а нам нужно «изготовить» шаровую молнию, этот своеобразный ШМ-реактор, существующий иногда в течение 3-5 мин. Почему мы связываем появление ШМ с разрядом линейной молнии? Ведь бывали случаи, по свидетельству очевидцев, что ШМ возникала в совершенно ясную, безоблачную погоду. Однако в этих случаях ее «родословная» представляется еще более неясной. По крайней мере имеется множество свидетельств того, что ШМ возникала сразу из места удара (разряда) линейной молнии примерно через 1-2 секунды, «разгораясь» от темно-красного до оранжевого, желтого и белого свечения.

Прежде чем подступим вплотную к схеме возникновения ШМ, приведем высказывание о линейной молнии из статьи «Охотники за молниями» в газете «За рубежом» №12 (1341) за 1986 г., стр. 19: «…Известно, что процесс начинается с того, из облака к земле идет невидимый разряд отрицательного электричества. Когда он приближается к поверхности земли, ему навстречу стремительно поднимается положительный разряд. В момент их встречи вспышка света делает видимым весь канал разряда. Причем температура, возникающая при вспышке, в четыре раза превышает температуру на поверхности Солнца ! Это и есть видимая часть молнии».

Для простоты рассуждений и конкретности примем, что «темный лидер», как иногда называют пучок отрицательно заряженных частиц, состоит, в основном, из электронов (в принципе он может состоять из отрицательных ионов), а стример, т.е. положительный разряд, поднимающийся с земли, - из ядер водорода (т.е. протонов) и дейтронов (ядер «тяжелой» воды, состоящих из протона и нейтрона).

По существу, движение отрицательного «темного лидера» и положительного стримера навстречу друг другу, представляет собой единый процесс протекания электрического тока в канале разряда. Электронный пучок, будучи менее инертным, разгоняется до значительно большей скорости. В разрядных каналах, а тем более в месте встречи двух пучков, все атомы ионизованы. Благодаря большой скорости электронный пучок испытает резкий пинч, т.е. сжатие в тонкий шнур, возможно полый, за счет частичной компенсации сил электростатического отталкивания силами магнитного притяжения, так как движение электронов подобно параллельным токам, а проводники с параллельными токами, направленными в одну сторону, притягиваются друг к другу. Стример же, обладая гораздо меньшей скоростью, формируется в более рыхлый, диффузный пучок большего сечения.

Место встречи двух пучков характеризуется резким скачком температуры, давления и что самое замечательное, здесь наблюдается усиление по крайней мере в два раза общего магнитного поля (см. кадр 1). Направление и величина поля таковы, что оно охватывает и сжимает замкнутым кольцом силовых линий острие электронного пучка так, что»…коллективное поле пучка могло бы буквально разорвать его на части…» /1/. Но при наличии стримера, надвигающегося навстречу ( экранирующего избыток объемного отрицательного заряда), появляются дополнительные силы, способствующие заворачиванию пучка электронов в вихревое электронное кольцо (наподобие «табачных колец», выпускаемых курильщиками), охватывающее тороидальную область (см. кадр 2), занятую магнитным полем и стабилизирующие эту конфигурацию. Периферийные потоки положительных ионов стримера, охватывающие кольцо из электронов, имеют одинаковое с ними направление движения. Это равносильно двум параллельным, противоположно направленным токам, и это приводит к взаимному отталкиванию ионов и электронов, т.е. – к сжатию электронного пучка. Из-за существенной разности в массах (масса протона ≈ в 2000 раз больше массы электрона) больше изменятся направления скоростей легких электронов. Центральный поток (+ионов) стримера, проникая снизу в полость электронного пучка, наоборот, притягивает к себе отрицательные электроны. Таким образом, оба фактора взаимодействия способствуют сворачиванию пучка электронов в компактное кольцо вокруг созданного ими же (лидером и стримером) кольцевого суммарного магнитного поля.

Одновременно формируется скоростной пучок моноэнергетических (частицы одинаковой энергии) положительных ионов, который проходит внутри электронного вихревого кольца (см. кадр 3). Формирование же такого пучка можно объяснить тем, что «…поле имеет такое направление, что оно снижает скорость пучка электронов и ускоряет положительные ионы… Замечательной чертой ускорителей коллективного эффекта является то, что они имеют возможность ускорять заряды нескольких типов. Этого нельзя сделать в обычных резонансных ускорителях. Действие последних строго зависит от точной величины отношения заряда к массе ускоряемых частиц…». Скорость поступательного движения пучка снижается, однако по модулю (численному значению) скорость электронов не уменьшается. Изменяется лишь направление скорости. Магнитное поле преобразует поступательное движение частиц во вращательное. Пучок лидера замыкает за счет сворачивания в кольцо магнитное поле, созданное лидером и стримером. В свою очередь магнитное поле надежно связывает и удерживает на соответствующих ларморовских орбитах электроны вихревого кольца. Такая взаимосвязь и взаимозависимость способствует локализации электромагнитного поля с ее энергией, разумеется, в замкнутом, ограниченном пространстве тороидальной конфигурации.

Электронное вихревое кольцо оказывается «нанизанным» на пучок положительных зарядов (как на палку), что приводит к перекачке энергии от кольца к пучку, к пространственной ориентации и структурной стабилизации их и параллельно происходит захват кольцом сначала из стримера, а затем из окружающей среды положительных ионов, которые, разумеется, вращаются в сторону, противоположную вращению электронов (см. кадр 4). Итак, формируется двухслойное вихревое кольцо – внутри электронное, снаружи – ионное. Но при захвате достаточного числа положительных ионов на внешнем кольце возрастает сила взаимного притяжения электронов и ионов, складывающаяся из электростатического и электродинамического составляющих, что приводит к вырыванию электронов внутреннего кольца (см. кадр 5). Здесь следует заметить, что спины электронов, проходящих через область очень большого электрического поля на полоидальные орбиты (плоскости которых перпендикулярны круговой оси тора), могли сориентироваться параллельно вектору индукции магнитного поля, что приведет к квантово-механическим эффектам как например: а) электроны с ориентированными спинами замыкают тороидальную область с вполне определенной энергией (с квантованным магнитным потоком) магнитного поля /2/; в) разрушение вихревого кольца электронов и их рекомбинация с ионами внешнего кольца происходит одновременно для всех электронов в виде взрывного процесса за время 10^-10(-11) .Вот в этот момент и наступает самое решающее событие: синхронная рекомбинация заряженных частиц за очень малый промежуток времени приводит к выделению огромной мощности за счет тормозного и рекомбинационного излучения, направленного всюду внутрь ионного вихревого кольца; всплеск электромагнитного давления сжимает тороидальную область, занятую магнитным полем (это должно напоминать направленный внутрь взрыв (имплозию), в результате чего происходит резкое увеличение индукции магнитного поля вследствие уменьшения его объема. Изменение магнитного поля приводит к появлению дополнительного вихревого полоидального электрического поля, замыкающего магнитный тороид. Итак, мы получили замкнутое на себя электромагнитное поле, которое образовано вихревыми магнитным и электрическим полями, векторы напряженностей которых взаимно перпендикулярны. Это – электромагнитный солитон – уединенная, нерасплывающаяся волна в виде тороида, по круговой оси которого направлено магнитное поле, а электрическое поле имеет полоидальное направление (см. кадр 6).

«Солитоны встречаются во многих средах и системах, в которых вообще возможно существование волн: в плазме – ионизированном газе с большой плотностью электронов и ионов, в полупроводниках и сверхпроводниках, в цепочках последовательно соединенных атомов и т.д.» /3/.

Рис. Покадровый сценарий образования шаровой молнии в результате встречи лидера (электронного пучка) и стримера (ионного пучка).

Причем магнитные силовые линии имеют тенденцию к укорочению своей длины и к утолщению пучка. «…Из уравнений Максвелла следует, что в магнитном поле есть внутреннее натяжение: его силовые линии ведут себя подобно натянутым резиновым нитям, они стремятся уменьшить свою длину, а пучок их – стать толще, расправиться. Правда, у пучка резинок есть какая-то естественная для него длина и толщина, у пучка магнитных силовых линий этого нет: он всегда стремится уменьшить свою длину и увеличить толщину…» /4/.

Именно этим их свойством можно объяснить шарообразность ШМ почти во всех наблюдениях: стремление укоротить свою длину приводит к «сплющиванию» в экваториальной плоскости тороида, что делает видимую (светящуюся) внешнюю область практически неотличимой от шарообразной (см. кадр 7). Этому препятствует вихревое электрическое поле, всегда направленное против любого изменения магнитного поля и, в свою очередь, вихревое магнитное поле тоже противодействует любому изменению электрического поля (закон Ленца). Такое поведение и есть признак устойчивости системы. В конце концов устанавливается какая-то компромиссная конфигурация в «единстве и борьбе противоположностей».

Новорожденная ШМ должна быть невидимой, пока не захватит и не закрутит ускоренно вокруг себя путем электромагнитной индукции имеющиеся в воздухе немногочисленные ионы и электроны, которые, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизуют их. Лавинообразно растет число ионов и свободных электронов, растет также и их скорость вращения. Это объясняет механизм «разгорания» ШМ в течение 1 – 2секунд от темно-красного до белого свечения, что подтверждается словами очевидца: «…и сразу из места, где начиналось заземление громоотвода, полыхнуло в сторону яркое пламя, которое приняло форму шара диаметром 12-15 см. Сначала красноватый, затем бело-желтый, он раздулся почти вдвое и стал ослепительно белым, ярче 20-киловаттной ксеноновой лампы…» /5/.